专利名称：变形镁基合金及其熔铸和变形加工工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种镁基合金及其熔铸和变形加工工艺，具体是一种复合添加稀土元素Nd和Y的变形镁基合金及其熔炼、压铸和变形加工工艺，用于金属材料加工领域。
背景技术：
镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，它具有比重轻，比强度和比刚度高，阻尼性能、铸造性能好等优点。而变形镁合金相对于铸造镁合金更具有组织致密、机械性能优异、加工性能好等优点。我国现行使用的Mg-Zn-Zr系MB15合金是变形镁合金中强度较高的合金，其成分与美国的ZK60A、俄罗斯的MA14、英国的ZW6接近，它的棒材、型材和模锻件在航空航天工业中得到了广泛的应用。但MB15合金热强性差，工作温度不能超过150℃。稀土元素可以增强镁合金原子间的结合力，减小原子扩散速度，并与镁形成热稳定性较高的化合物。同时，稀土元素也能够改善镁合金的其它性能，如减少铸锭的显微疏松，降低合金的热裂倾向，提高合金的耐蚀性，以及降低合金液氧化烧损并减少氧化夹杂缺陷等。因此在镁合金中添加稀土元素是提高其热强性的有效途径。
经对现有技术的文献检索发现，鲁立奇等在《中国稀土学报》(Vol.4，No.2，1986)上发表的“含钇的高强度MB25变形镁合金”一文中指出，通过向MB15中添加0.7-1.7％的稀土元素Y，可生成Mg3Y1Zn6(准晶相)及少量的Mg3Y2Zn3相而使基体得到强化，合金的室温强度和高温瞬时强度均优于MB15镁合金，尤其是合金的室温强度提高得更为明显。但该文同时表明，MB25镁合金200℃的抗拉强度在150MPa左右，250℃的抗拉强度在100MPa左右。因此该合金的工作温度必须低于200℃，从而限制了高强变形镁合金在高温的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有Mg-Zn-Y-Zr系合金的不足，提出一种高强变形镁基合金及其熔铸和变形加工工艺，即复合添加稀土元素Nd和Y的变形镁基合金及其熔铸和变形加工工艺，使其通过加入Nd克服单纯添加Y的MB25变形合金高温瞬时强度不高的问题，同时其熔铸和变形加工工艺是一种集强化与细化于一体的更有效的加工方法，扩大了Mg-Zn-Zr系高强变形镁基合金的应用范围。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明变形镁基合金包含组分及其重量百分比为5.0-6.0％Zn，1.5-2.5％Nd，1.0-2.0％Y，0.45-0.9％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg。本发明以5.0-6.0％Zn作为基本成分，同时加入0.45-0.9％Zr起细化晶粒的作用，加入1.0-2.0％Y形成界面能低的准晶相Mg3Y1Zn6及少量的Mg3Y2Zn3相，加入1.5-2.5％Nd形成高温稳定的强化相Mg12Nd，通过热挤压加工过程中发生动态再结晶生成极细小的晶粒，同时破碎晶界上连续的化合物，弥散强化合金基体。本发明中合金的工作温度可有效的提高至250℃以上。
本发明所述的高强变形镁基合金的熔铸工艺为在气体保护的熔炼条件下，在熔炼炉中加入工业纯镁和覆盖剂，待镁全部化清后，升温至720～740℃加入合金元素Zn，继续升温至760～780℃加入稀土元素Nd、Y和合金元素Zr。待合金元素全部熔化后，将合金液温度调整至720～740℃，加入精炼剂精炼5～15分钟，最后升温至760～780℃，静置10～20分钟后，撇去表面浮渣，进行铸造。
Zn、Nd、Y、Zr元素分别以工业纯Zn、Mg-Nd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金的形式加入。
覆盖剂为镁合金熔炼用No.2熔剂，精炼剂为No.2熔剂+10％CaF2。
铸造方法采用金属型铸造或半连续铸造。
本发明所述的高强变形镁基合金的变形加工工艺为铸锭经车皮后在320～370℃保温2h，采用正挤压方式，挤压比选择在10～25之间，挤压模具和挤压筒的预热温度控制在300～350℃，挤压温度控制在320～370℃，挤压速度控制在0.1～1m/min。
挤压变形前铸锭在400～500℃均匀化处理2～10h。
本发明变形镁合金MB15的强度尤其是高温瞬时强度得到显著的提高。以Mg-5.5Zn-2Nd-1.5Y-0.6Zr为例，室温抗拉强度为375MPa，200℃的抗拉强度为255MPa，250℃的抗拉强度为208MPa，而相同条件下的MB25镁合金的室温抗拉强度大于380MPa，200℃的抗拉强度大于150MPa，250℃的抗拉强度大于100MPa。
具体实施例方式
结合本发明技术方案的内容提供以下实施例实施例1合金的成分(重量百分比)为5.0％Zn，2.5％Nd，1.0％Y，0.45％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为在气体保护的熔炼条件下，在刷过涂料并经过烘干的熔炼炉中加入干燥的工业纯镁，同时，在炉内撒入少量镁合金熔炼用No.2熔剂作为覆盖剂，待镁全部化清后，升温至720℃以工业纯锌的形式加入合金元素Zn，继续升温至760℃加入稀土元素Nd、Y和合金元素Zr，其中Nd、Y、Zr元素分别以Mg-Nd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金的形式加入。待合金元素全部熔化后，捞底搅拌使合金液成分均匀，然后浇注成分分析试样分析合金成分。合格后，将合金液温度调整至720℃，加入No.2熔剂+10％CaF2作为精炼剂精炼镁合金液5分钟。最后，将合金液升温至760℃，静置10分钟后，撇去表面浮渣，进行浇注。其变形加工工艺为铸锭在500℃均匀化处理2h，经车皮后在370℃保温2h，采用正挤压方式，挤压比选择为10，挤压模具和挤压筒的预热温度控制在350℃，挤压温度控制在370℃，挤压速度控制在1m/min。本发明的室温抗拉强度大于364MPa，200℃的抗拉强度大于241MPa，250℃的抗拉强度大于193MPa。
实施例2合金的成分(重量百分比)为5.5％Zn，2％Nd，1.5％Y，0.6％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为在气体保护的熔炼条件下，在刷过涂料并经过烘干的熔炼炉中加入干燥的工业纯镁，同时，在炉内撒入少量镁合金熔炼用No.2熔剂作为覆盖剂，待镁全部化清后，升温至730℃以工业纯锌的形式加入合金元素Zn，继续升温至770℃加入稀土元素Nd、Y和合金元素Zr，其中Nd、Y、Zr元素分别以Mg-Nd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金的形式加入。待合金元素全部熔化后，捞底搅拌使合金液成分均匀，然后浇注成分分析试样分析合金成分。合格后，将合金液温度调整至720℃，加入No.2熔剂+10％CaF2作为精炼剂精炼镁合金液10分钟。最后，将合金液升温至770℃，静置15分钟后，撇去表面浮渣，进行浇注。其变形加工工艺为铸锭在450℃均匀化处理6h，经车皮后在320℃保温2h，采用正挤压方式，挤压比选择为25，挤压模具和挤压筒的预热温度控制在300℃，挤压温度控制在320℃，挤压速度控制在0.1m/min。本发明的室温抗拉强度大于375MPa，200℃的抗拉强度大于255MPa，250℃的抗拉强度大于208MPa。
实施例3合金的成分(重量百分比)为6.0％Zn，1.5％Nd，2.0％Y，0.9％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg。
按上述成分配制合金，其熔铸工艺为在气体保护的熔炼条件下，在刷过涂料并经过烘干的熔炼炉中加入干燥的工业纯镁，同时，在炉内撒入少量镁合金熔炼用No.2熔剂作为覆盖剂，待镁全部化清后，升温至740℃以工业纯锌的形式加入合金元素Zn，继续升温至780℃加入稀土元素Nd、Y和合金元素Zr，其中Nd、Y、Zr元素分别以Mg-Nd、Mg-Y、Mg-Zr中间合金的形式加入。待合金元素全部熔化后，捞底搅拌使合金液成分均匀，然后浇注成分分析试样分析合金成分。合格后，将合金液温度调整至740℃，加入No.2熔剂+10％CaF2作为精炼剂精炼镁合金液15分钟。最后，将合金液升温至780℃，静置20分钟后，撇去表面浮渣，进行浇注。其变形加工工艺为铸锭在400℃均匀化处理10h，经车皮后在350℃保温2h，采用正挤压方式，挤压比选择为16，挤压模具和挤压筒的预热温度控制在330℃，挤压温度控制在350℃，挤压速度控制在0.5m/min。本发明的室温抗拉强度大于380MPa，200℃的抗拉强度大于245MPa，250℃的抗拉强度大于202MPa。
权利要求
1.一种变形镁基合金，其特征在于，包含的各成分及其重量百分比为5.0-6.0％Zn，1.5-2.5％Nd，1.0-2.0％Y，0.45-0.9％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg。
2.一种变形镁基合金熔铸工艺，其特征在于，其高强变形镁基合金组分重量百分比为5.0-6.0％Zn，1.5-2.5％Nd，1.0-2.0％Y，0.45-0.9％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg，在气体保护的熔炼条件下，在熔炼炉中加入工业纯镁和覆盖剂，待镁全部化清后，升温至720～740℃加入合金元素Zn，继续升温至760～780℃加入稀土元素Nd、Y和合金元素Zr，待合金元素全部熔化后，将合金液温度调整至720～740℃，加入精炼剂精炼5～15分钟，最后升温至760～780℃，静置10～20分钟后，撇去表面浮渣，进行铸造。
3.根据权利要求2所述的变形镁基合金熔铸工艺，其特征是，Zn、Nd、Y、Zr元素分别以工业纯Zn、Mg-Nd中间合金、Mg-Y中间合金、Mg-Zr中间合金的形式加入。
4.根据权利要求2所述的变形镁基合金熔铸工艺，其特征是，覆盖剂为镁合金熔炼用No.2熔剂，精炼剂为No.2熔剂+10％CaF2。
5.根据权利要求2所述的变形镁基合金熔铸工艺，其特征是，铸造方法采用金属型铸造或半连续铸造。
6.一种变形镁基合金变形加工工艺，其特征在于，其高强变形镁基合金组分重量百分比为5.0-6.0％Zn，1.5-2.5％Nd，1.0-2.0％Y，0.45-0.9％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg，铸锭在320～370℃保温2h，采用正挤压方式，挤压比选择在10～25之间，挤压模具和挤压筒的预热温度控制在300～350℃，挤压温度控制在320～370℃，挤压速度控制在0.1～1m/min。
7.根据权利要求6所述的变形镁基合金变形加工工艺，其特征是，挤压变形前铸锭在400～500℃均匀化处理2～10h。
全文摘要
一种用于材料加工领域的变形镁基合金及其熔铸和变形加工工艺，合金成分及重量百分比为5.0－6.0％Zn，1.5－2.5％Nd，1.0－2.0％Y，0.45－0.9％Zr，杂质元素Mn≤0.10％、Al≤0.05％、Si≤0.05％、Cu≤0.05％、Ni≤0.005％、Fe≤0.05％、Be≤0.01％，其余为Mg。熔铸工艺为气体保护下，在熔炼炉中加入工业纯镁和覆盖剂，待镁全部化清后，升温至720℃～740℃加入合金元素Zn，继续升温至760℃～780℃加入稀土元素Nd、Y和合金元素Zr，待合金元素全部熔化后，将合金液温度调整至720℃～740℃，加入精炼剂精炼，升温至760℃～780℃，静置10～20分钟后，撇去表面浮渣，进行铸造。变形加工工艺为铸锭在320℃～370℃保温2h，采用正挤压方式，挤压比选择在10～25之间，挤压模具和挤压筒的预热温度控制在300℃～350℃，挤压温度控制在320℃～370℃，挤压速度控制在0.1～1m/min。
文档编号C22C23/00GK1587430SQ20041005365
公开日2005年3月2日 申请日期2004年8月12日 优先权日2004年8月12日
发明者李强, 王渠东, 曾小勤, 周海涛, 丁文江 申请人:上海交通大学